一。概述 1．方案的目的及范圍 　　 　　中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所以及中科博微自動(dòng)化技術(shù)有限公司非常榮幸能為西林鋼鐵集團(tuán)有限公司高爐循環(huán)水泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)提供技術(shù)方案。我們深信本項(xiàng)目為我們公司提供了很好的機(jī)會(huì)證實(shí)了我們?cè)缙诜e極靈活的態(tài)度是為了以必要的適應(yīng)性 , 技巧性 ,以及專業(yè)精神 , 從而項(xiàng)目順利完成。 　　本文檔詳細(xì)描述了我們針對(duì)要求的 PLC 控制系統(tǒng)、在線儀表及監(jiān)視控制自動(dòng)化設(shè)備所選擇的標(biāo)的物的總說明、詳細(xì)技術(shù)參數(shù)和供貨范圍技術(shù)方案的背景。 ２．技術(shù)方案的背景 　 　　我們的技術(shù)方案基于以下文檔資料： 　　西林鋼鐵集團(tuán)有限公司高爐循環(huán)水泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng) 招標(biāo)文件并保證本方案中的技術(shù)細(xì)節(jié)均符合招標(biāo)文件中的各項(xiàng)要求。 　　根據(jù)黑龍江省西林鋼鐵集團(tuán)有限公司高爐循環(huán)水泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng) 招標(biāo)文件及我公司在焦化實(shí)施工作中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)代化高爐循環(huán)水自動(dòng)系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)和發(fā)展趨勢，充分發(fā)揮我公司的綜合實(shí)力，使該自動(dòng)控制系統(tǒng)達(dá)到國際先進(jìn)水平前提下，基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的配置達(dá)到二十一世紀(jì)的國內(nèi)先進(jìn)水平，做到電、儀自動(dòng)化控制系統(tǒng)一體化， 在保證系統(tǒng)總體技術(shù)方案的完整性、先進(jìn)性、合理性，在總體上降低用戶的投資，為用戶提供最優(yōu)化的產(chǎn)品及服務(wù)。以最優(yōu)化的用戶構(gòu)造成本及總運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的產(chǎn)品布局和服務(wù)，并考慮最優(yōu)價(jià)格性能比而編制的，最終實(shí)現(xiàn)用戶經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的最大化。 ３．控制系統(tǒng)概要 　　 　　Quantum 系列 PLC 簡介 　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)采用法國施耐德電氣公司的 MODICON TSX QUANTUM 自動(dòng)化平臺(tái)，各分站 CPU 采用 140CPU43412A ，系統(tǒng)內(nèi)所有 PLC 模塊均為 QUANTUM 系列模塊，均可實(shí)現(xiàn)帶電插拔。典型應(yīng)用包括：控制連網(wǎng)與互鎖、數(shù)據(jù)采集、程序上裝 / 下裝，遠(yuǎn)程在線編程，與操作員接口之間的連接和主機(jī)數(shù)據(jù)采集。 　　Quantum 系列可編程序控制器是 MODICON 公司于 1994 年推出的 984 換代產(chǎn)品。 MODICON 公司的 984 系列可編程序控制器曾是世界上主要的可編程序控制器產(chǎn)品之一。 984 系列可編程序控制器共有 18 個(gè)型號(hào) , 可處理的開關(guān)量 I/O 從 256 到 16384 點(diǎn) , 但用戶只需掌握一套指令系統(tǒng)、一種體系結(jié)構(gòu)和一套編程軟件 , 即可應(yīng)用于各種型號(hào) , 系統(tǒng)的兼容性也減少了用戶最初選擇系統(tǒng)所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)。在系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改型時(shí) , 仍可繼續(xù)使用原有的 I/O 系統(tǒng) , 原系統(tǒng)的應(yīng)用軟件原則上可繼續(xù)使用。 　　Quantum 可編程序控制器繼承了 984 向下兼容的特點(diǎn) , 硬件上仍可使用 984 的 800I/O 系統(tǒng) , 軟件上可使用 984 的基本指令、功能指令和 Modsoft 編程軟件。 　　Quantum 可編程序控制器具有模塊化、可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu) , 可用于工業(yè)和制造過程的實(shí)時(shí)控制 , 能夠滿足中型至大型控制系統(tǒng)的控制要求。系統(tǒng)包括 CPU 模塊、 I/O 模塊、通信模塊、智能模塊、電源模塊和底板。典型的 Quantum 系統(tǒng)的組成如圖所示。 　　Quantum 硬件模塊及編程軟件 CPU模塊 　　中央處理模塊 （Central Processing Unit, 簡稱 CPU 模塊 ） 是可編程控制器的核心部件 , 整個(gè) PLC 的工作過程都是在CPU 模塊的統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)下進(jìn)行的。 CPU 模塊的主要任務(wù)是按一定的規(guī)律或要求讀入被控對(duì)象的各種工作狀態(tài) , 然后根據(jù)用戶編制的應(yīng)用程序要求去處理有關(guān)數(shù)據(jù) , 最后再向被控制對(duì)象送出相應(yīng)的控制 （ 驅(qū)動(dòng) ） 信號(hào)。 CPU 模塊與被控制對(duì)象之間的聯(lián)系是通過各種 I/O（Input/Output） 接口實(shí)現(xiàn)的。 　　PLC 的 CPU 模塊通常是指 PLC 中的主控板 , 它與一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的 CPU 概念不同 , 后者常用 CPU 表示一個(gè)中央處理器 , 即它是一塊集成芯片。事實(shí)上 , 在一個(gè)中型或大型 PLC 的中央處理模板上 , 不僅有 CPU 集成芯片 , 而且還有一定數(shù)量的 ROM 或 EPROM（ 儲(chǔ)存系統(tǒng)的操作系統(tǒng) ） 和 RAM（ 儲(chǔ)存少量的數(shù)據(jù)或用戶程序 ） 　　在中型或大型的 PLC 中常裝有兩個(gè)中央處理器 : 字處理器和位處理器。其中字處理器是主處理器 , 它完成字節(jié) （byte） 指令理 , 并實(shí)現(xiàn)各種控制作用 （ 包括對(duì)位處理器 ’ 的控制 ） 。而位處理器是輔助處理器 , 它主要處理位式 （bit） 信息 , 其主要特點(diǎn)是它在處理位式信息時(shí) , 速度可以很高。在小型 PLC 中 , 往往只用一個(gè)處理器同時(shí)完成這兩方面的工作。 　　具體地說 ,PLC 的 CPU 模塊主要完成下述各項(xiàng)工作 : 　　（1） 接收用戶從編程器輸人的用戶程序 , 并將它們存人用戶存儲(chǔ)區(qū) ; 　?。?） 用掃描方式接收源自被控對(duì)象的狀態(tài)信號(hào) , 并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū) （ 輸入映像區(qū) ）; 　　（3） 檢查用戶程序的語法錯(cuò)誤 , 并給出錯(cuò)誤信息 ; 　?。?） 監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)及電源系統(tǒng) ; 　?。?） 執(zhí)行用戶程序 , 完成各種數(shù)據(jù)的處理、傳輸和存儲(chǔ)等功能 ; 　?。?） 根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果 , 刷新輸出狀態(tài)表 , 完成對(duì)各種外部設(shè)備的實(shí)時(shí)控制和其他輔助工作 （ 如顯示和打印等 ） 。 Quantum CPU 模塊如圖 2-2 所示。 　　CPU 模塊安裝在 Quantum 本地 I/O 底板上 , 是單槽位控制器。 CPU 模塊內(nèi)含有執(zhí)行存儲(chǔ)器、應(yīng)用程序存儲(chǔ)器、通訊端口以及 CPU 狀態(tài)、通訊端口狀態(tài) LED 指示燈。 LED 狀態(tài)指示燈顯示 CPU 本身及所有通訊端口的工作是否正常 , 以便及時(shí)進(jìn)行故障檢修。 Quantum CPU 使用閃速存儲(chǔ)器 （Flash Memory） 技術(shù) , 支持控制器的執(zhí)行存儲(chǔ)器和指令集。操作系統(tǒng)的升級(jí)可通過 Modbus 和 Modbus Pius 通訊端口直接下裝給 CPIJ 的閃速存儲(chǔ)器 , 代替、更換 EPROM 芯片或執(zhí)行卡執(zhí)行現(xiàn)場修改。對(duì)于較復(fù)雜的過程控制 ,Quantum CPU 可通過過程控制功能庫 （Process Control Function Libray, 簡寫為 PCFL）, 由協(xié)處理器配合完成過程控制中較復(fù)雜的代數(shù)及數(shù)學(xué)運(yùn)算。 Quantum 系列 CPU 使用電池后備的 RAM, 以保護(hù)用戶應(yīng)用程序 , 電池安裝在 CPU 模塊正面 , 當(dāng)控制器運(yùn)行時(shí)即可投入使用。 　　在 CPU 的前面板還裝有兩個(gè) 3 位置滑動(dòng)開關(guān) , 左邊的開關(guān)是用來保護(hù)存儲(chǔ)器的 , 當(dāng)開關(guān)在上面位置時(shí)起保護(hù)作用。右邊的 3 位置滑動(dòng)開關(guān)用來選擇設(shè)定 Modbus（RS-232C） 通信參數(shù) , 包括 ASCII 通信端口參數(shù)、 RTU 通信端口參數(shù)和有效通信端口參數(shù)。 　　CPU 模塊前面板上都有標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 和 Modbus Plus 通信接口 , 以支持兩種聯(lián)網(wǎng)方案 ,CPU 前面板上的 LED 指示燈用于指示其工作狀態(tài)。 CPU 模塊的后面板上裝有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)開關(guān) , 它們用于設(shè)置 Modbus Plus 節(jié)點(diǎn)和 Modbus 端口地址 , 有效地址為 1～640 。 SWl 設(shè)置地址高位 （ 十位 ）,SW2 設(shè)置低位 （ 個(gè)位 ） 。如果節(jié)點(diǎn)地址選為 0 或大于 64,Modbus+LED 將維持常亮 , 以指示所選地址元效。對(duì)于 Modbus 端口 , 包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位、站地址以及協(xié)議等端口均設(shè)置在控制器配置中。缺省時(shí) , 端口設(shè)置編程參數(shù)為 :9600,E,8,1,RTU,model 。 CPU 面板上的開關(guān)能將端口設(shè)置為調(diào)制解調(diào)器工作方式 :2400, E, 7, 1, ASCII 。 Quantum CPU 技術(shù)性能見表 2-1 。 　　Quantum CPU 模塊包括一個(gè) 80 多條指令的指令集。這些指令為離散量處理、模擬量處理和過程控制的應(yīng)用程序生成提供工具 , 這些基于 984 指令集的指令確保各項(xiàng)應(yīng)用的兼容易于組合。梯形圖邏輯指令見表 2-2 。 開關(guān)量和模擬量 I/O 模塊 　　開關(guān)量 I/O 模塊的主要作用是實(shí)現(xiàn) PLC 與外部設(shè)備之間數(shù)字信號(hào)的連接。它完成電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串 / 并型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、碼字錯(cuò)誤檢測以及提供具有足夠驅(qū)動(dòng)能力的各種數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)等工作 , 有時(shí)還可提供各種中斷和通訊等方面的控制信號(hào)。開關(guān)量 I/0 模塊通常配置有相應(yīng)的 LED 狀態(tài)顯示器 , 以利于操作人員的監(jiān)測。 　　開關(guān)量 I/O 的輸入信號(hào)常來自按扭、開關(guān)和繼電器觸點(diǎn)等實(shí)際開關(guān)量 , 也可以是各種外設(shè)或被控制對(duì)象送來的數(shù)字量。它的數(shù)字輸出信號(hào)主要是以繼電器觸點(diǎn)或與 TTL 電平兼容的數(shù)字電平形式提供的。模擬量 I/O 模塊主要實(shí)現(xiàn) PLC 與外部 I/O 裝置之間模擬信號(hào)的連接。其中模擬量輸入模塊主要完成阻抗匹配、 I/V 轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大、信號(hào)濾波以及 A/D 轉(zhuǎn)換等功能 , 實(shí)現(xiàn)將被控對(duì)象送出的模擬量轉(zhuǎn)換成 PLC 易于處理的數(shù)字量的作用。模擬量輸出模塊主要完成阻抗匹配、功率放大和波形校正等功能 , 以便向被控對(duì)象提供正常工作所需要的模擬控制 （ 驅(qū)動(dòng) ） 信號(hào)。 　　在一些高精度和高抗干擾的 PLC 系統(tǒng)中 , 模擬量 I/0 模塊也需要有光電隔離措施。由于模擬信號(hào)的隔離問題遠(yuǎn)比數(shù)字信號(hào)隔離困難 , 因此常在模擬量 I/O 模塊上只配置若干具有隔離措施的端口 , 以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。需要指出的是 : 在模擬量 I/O 模塊中 , 模擬信號(hào)一般不能用光電藕合器作隔離 , 因?yàn)樗荒鼙ＷC良好的線性度 , 因此往往采用成本較高的隔離放大器來實(shí)現(xiàn)隔離作用。模擬量 I/O 模塊中的數(shù)字邏輯部分可以采用光電隔離器來隔離。無論是開關(guān)量 I/O 模塊 , 還是模擬量 I/O 模塊 , 通常均應(yīng)根據(jù)實(shí)際控制的要求和有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)來進(jìn)行配置和選擇。 　　Quantum 系列 PLC 使用全范圍、高性能的 I/O 模塊 , 符合國際上認(rèn)可的 IEC 電氣標(biāo)準(zhǔn) , 確保惡劣工作環(huán)境下的可靠性。 　　Quantum 的 I/O 模塊允許 " 帶電插拔 ", 這種特性為現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)帶來了許多方便。 　　所有的 Quantum PLC I/O 模塊均可使用編程軟件實(shí)現(xiàn)軟件配置。 I/O 的軟件配置允許用戶為每個(gè)模塊配置 I/O 地址。軟件尋址使現(xiàn)有系統(tǒng)在加入模塊或改變 I/O 配置時(shí) , 無需從物理上改變應(yīng)用程序。軟件配置的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是刪除空槽 , 這是由用物理地址系統(tǒng)來建立地址映像的限制而造成的。 I/O Map 的概念是基于智能模塊的擴(kuò)充 , 該智能模塊需要地址范圍以外的額外信息。 　　Quantum 系列 PLC 的 I/O 模塊如圖 2-3 所示。每個(gè)模塊都有 LED 信息 , 包括現(xiàn)有的 I/O 狀態(tài)和現(xiàn)場接線故障、熔斷器斷開、超過量程等信息。每一個(gè) I/O 模塊需要一個(gè)單獨(dú)的 I/O 接線端子 P/N 140 XTS 002 00 。所有的 I/O 模塊使用同樣的連接端子 , I/O 端子有 （20） #14 標(biāo)準(zhǔn)線和 （40）#16 標(biāo)準(zhǔn)線 , 采用 THHN 級(jí)絕緣。 Quantum 系列 PLC 的 I/O 模塊類型一覽表如表 2-3 所示。